(57)【要約】【課題】この発明は、反応速度が高く、安全で取り扱いやすいという液中プラズマの特性を生かしながら、しかも、高純度で付加価値が高い結晶物質の合成などができる液中プラズマ反応装置および結晶合成方法を提供することを目的とする。【解決手段】上記の課題を解決するために、本発明に係る液中プラズマ反応装置１は、液体３を保持するための容器２と、液体３中に電磁波を照射するための電磁波照射手段５と、液体中で気泡を発生させるための気泡発生手段４と、液体３中に還元剤を供給する還元剤供給手段７を有するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を保持するための容器と、液体中に電磁波を照射するための電磁波照射手段と、液体中で気泡を発生させるための気泡発生手段と、液体中に還元剤を供給する還元剤供給手段を有する液中プラズマ反応装置。
【請求項２】
前記還元剤供給手段が気体の還元剤を供給するものであり、マイクロバブル発生器を有する請求項１に記載の液中プラズマ反応装置。
【請求項３】
前記還元剤供給手段が液体又は固体の還元剤を供給するものである請求項１に記載の液中プラズマ反応装置。
【請求項４】
原料の液体へ還元剤供給手段によって還元剤を供給し、液体中で気泡を発生させるとともに、気泡に電磁波を照射して気泡中にプラズマを発生させて化学反応を生じさせる液中プラズマによる反応方法。
【請求項５】
原料の液体へ還元剤供給手段によって還元剤を供給し、液体中で気泡を発生させるとともに、気泡に電磁波を照射して気泡中にプラズマを発生させて結晶の合成を行う結晶合成方法。
【請求項６】
マイクロバブル発生器によって気体の還元剤を微細な気泡にすることを特徴とする請求項５に記載の結晶合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体中においてプラズマを発生させて化学反応を起こさせる化学反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、プラズマを用いた結晶合成技術として気相プラズマによる蒸着技術が幅広く利用されている。たとえば特許文献１にはプラズマＣＶＤ法によってシリコンまたは立方晶シリコンカーバイドの表面にダイヤモンド膜を形成することが記載されている。また、特許文献２、特許文献３には液体中に気泡を発生させるとともに電磁波を照射して、液中でプラズマを発生させてタイヤモンド等を合成したり膜を形成する発明が記載されている。  
【特許文献１】特開平１０−８１５８９号公報
【特許文献２】特開２００３−２９７５９８号公報
【特許文献３】国際公開第０３／０８６６１５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載の方法等プラズマＣＶＤ法では目的の結晶性物質を大量に合成することは困難である。従って、ある程度厚みのある結晶膜を形成しようとすれば、長時間を要する。あえて蒸着速度を上げるために、メタン等の原材料物質を急速に供給することは危険を招くことにもなりかねない。また、気相で高エネルギーのプラズマを発生させると高温になり、熱に弱い基板材料へ蒸着することはできない。
【０００４】
特許文献２、特許文献３には、超音波照射等の手段によって液体中で気泡を発生させるとともに電磁波を照射して、液中で高エネルギーのプラズマを発生することが記載されている。この液中プラズマの技術によれば、物質密度の高い液体中でプラズマを発生させるので、高密度の原料物質が供給され、物質の合成、分解等の反応を高速で行うことができるものである。この技術を用いて生成したアモルファス炭素膜は硬度が高く、有用なものであった。しかし、この液中プラズマ発生装置および発生方法はアモルファス物質の合成だけでなく、結晶性物質の合成等にも適用できるものである。したがって、高純度で付加価値が高い結晶物質の合成などができる液中プラズマ反応装置や結晶合成方法が望まれる。
【０００５】
この発明は、反応速度が高く、安全で取り扱いやすいという液中プラズマの特性を生かしながら、しかも、高純度で付加価値が高い結晶物質の合成などができる液中プラズマ反応装置、液中プラズマによる反応方法および結晶合成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明に係る液中プラズマ反応装置は、液体を保持するための容器と、液体中に電磁波を照射するための電磁波照射手段と、液体中で気泡を発生させるための気泡発生手段と、液体中に還元剤を供給する還元剤供給手段を有するものである。還元剤供給手段は気体の還元剤を供給するものであり、マイクロバブル発生器を有するものであってもよい。また、還元剤供給手段は、液体又は固体の還元剤を供給するものであってもよい。
【０００７】
さらに、本発明に係る結晶合成方法は、原料の液体へ還元剤供給手段によって還元剤を供給し、液体中で気泡を発生させるとともに、気泡に電磁波を照射して気泡中にプラズマを発生させて結晶の合成を行うものである。マイクロバブル発生器によって気体の還元剤を微細な気泡にするものとすることもできる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の本発明に係る液中プラズマ反応装置、液中プラズマによる反応方法および結晶合成方法は、局所的には高エネルギーでありながら巨視的には低温であり安全で取り扱いやすい液中プラズマにより高い反応速度で化学反応を生じさせ、供給される還元剤によって非結晶成分を除去し、純度の高い物質の合成等に使用できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る液中プラズマ反応装置の一例を示す説明図である。液中プラズマ反応装置１の反応容器２には液体３を入れるようになっている。反応容器２の大きさは必要とされる処理能力に応じて適宜選択でき、ビーカー程度の小型のものであっても、大型プラントとして実施するための大型の処理槽であってもよい。ここで、ステンレス製の容器を用いている。
【００１０】
超音波照射手段４は液体３中に超音波を照射するためのものである。超音波を照射することにより、液体中で気泡が発生する。すなわち、図１の例では超音波照射手段４は気泡発生手段として機能している。気泡発生手段としては、加熱手段を設けて液体を加熱して気泡を発生させるものでもよく、また、反応容器２を別の容器で覆い、真空ポンプ等で減圧することによって気泡を発生させることもでき、あるいは外部より気体を導入するようにしてもよく、さらにはこれらの組み合わせであってもよい。
【００１１】
液中プラズマ反応装置１は、電磁波照射手段５を有する。この例では電磁波照射手段５は超音波発生手段４に対向して設けられており、超音波によって気泡が形成される位置に電磁波を集中的に照射するようになっている。また、気泡が発生する場所に基板６を保持する位置が設定されている。
【００１２】
液中プラズマ反応装置１は、さらに還元剤供給手段７を有する。図１の例では、還元性気液混合タンク８、ノズル９および還元性気液混合タンク８とノズル９を結ぶ配管１０により構成される。還元性気液混合タンク８は、還元作用を有する気体を液体に混合させた状態で貯留するものである。
【００１３】
ついで、図１に示す液中プラズマ反応装置１により液中プラズマを発生させて結晶の合成を行う結晶合成方法について説明する。反応容器２に合成しようとする結晶の原料となる物質を含む原料液体３を入れる。また、還元性気液混合タンク８に還元剤を入れる。還元剤として液体のもの以外に、気体の還元剤を液体に混合して貯留することができる。また、液体の還元剤と気体の還元剤を混合してもよい。気体としては水素ガス、ハロゲンガス、ジボラン等の各種還元性ガスを、液体としては、水、アルコール類、テトラヒドロフランなどの飽和（または部分飽和）複素環化合物、水素化ホウ素ナトリウムあるいは水素リチウムアルミニウムなどの還元性固体を溶かした溶液などの還元性液体が用いられる。例えば、ダイヤモンドの合成においては、原料液体に灯油やベンゼンなどの炭化水素類を、還元性気体としては水素ガスを、還元性液体としては水を用いることができる。シリコンカーバイドの合成においては、原料液体にシリコンオイルと灯油の混合液を、還元性気体としては水素ガスを、還元性液体としては水を用いることができる。還元性気液混合タンク８に貯留された還元剤は配管１０を通りノズル９によって原料液体３中へ供給される。
【００１４】
超音波発生手段４を作動させて原料液体３中に超音波を照射することによって、原料液体３中に気泡が発生する。気泡の発生としては、単一または数個の気泡を発生させて局所的に大きなエネルギーを発生させる方法と、多数の気泡を雲状に発生させて全体としてより大きなエネルギーを発生させる方法があり、用途に応じて選択できる。また、本例ではノズル９の出口は超音波の照射位置に向けられており、ノズル９から供給される還元剤は超音波によって撹拌され、原料液体３と良好に混合される。すなわち、本例では超音波照射手段４は気泡発生手段として作用するほか、還元剤の撹拌手段としても作用する。
【００１５】
電磁波照射手段５によって気泡が発生する位置に電磁波が照射される。気泡の内部はプラズマが発生しやすい状態になっているが、ここに強力な電磁波を照射することによりプラズマが形成される。このプラズマは局所的には高温・高エネルギーであって物質の分解・合成に効果的なものであるが、一方、液中にあるために巨視的には低温であり安全で取り扱いやすいものである。
【００１６】
このように発生させたプラズマはさまざまな処理を行うことできるが、本発明の液中プラズマ反応装置は特に結晶性物質の合成に適したものである。本例においては、基板６を気泡の発生する位置に配置し、結晶性物質を基板６の表面上に膜状に形成させる。ＣＶＤ法等従来の気相による蒸着と異なり、物質密度の高い液体を原料として使用するために結晶膜の形成速度は著しく向上する。また、液中で反応させることにより液体による冷却効果があり、熱に弱い物質を基板として用いることができ、プラスチックや紙、木材等従来では考えられなかったような材料を基板として使用することができる。
【００１７】
基板上に結晶膜を合成するほか、たとえば種となる小結晶を気泡の位置に置いて、３次元的な結晶を合成することもでき、さらに、カーボンナノチューブのような微小な結晶を合成することもできる。
【００１８】
本発明の結晶合成方法では、原料の液体へ還元剤供給手段によって還元剤を供給するので、原料物質から目的の結晶の合成反応と同時に還元反応が起きる。この還元反応により酸化物や非結晶成分は取り除かれ、きわめて純度の高い結晶が得られる。本発明では液体中のプラズマを使用するので、還元剤として気体のほかに液体や固体も使用できる。従来の気相プラズマ法では液体や固体の還元剤を使用することは考えられないので、本発明によって還元剤の選択範囲が極めて広くなった。物質密度の高い液体や固体の還元剤を使用することによって還元反応の速度を高めることができ、高純度の結晶を高速度で合成することができる。また、本例においては気体の還元剤も液体と混合して供給されるので、均質かつ高い濃度で供給できるとともに、供給量の厳密な管理が可能になる。
【００１９】
つぎに、この発明の別の実施の形態について説明する。図２は、液中プラズマ反応装置の別の例を示す説明図である。この例においても液中プラズマ反応装置１は、原料液体３を入れる反応容器２と超音波照射手段４と電磁波照射手段５と還元剤供給手段７を備える。また、同様に超音波によって気泡が発生する場所に基板６を保持する位置が設定されている。そして、この実施の形態においては、還元剤供給手段７は、環状の配管１０、還元性気体導入管１１、マイクロバブル発生器１２、還元剤分散混合装置１３、ポンプ１４を有する。還元剤導入管１１は水素ガスボンベ（図示省略）などに接続されており、還元性気体をマイクロバブル発生器１２に導入する。マイクロバブル発生器１２は気体を多数の微細な気泡として液体に混合させるものである。還元剤分散混合装置１３は環状の配管７によって反応容器２に接続されており、配管１０中に設けられているポンプ１４によって還元剤分散混合装置１３の中の液体は反応容器２に供給されるとともに、反応容器２からまた還元剤分散混合装置１３へ送り返される、というように循環経路が形成されている。
【００２０】
反応容器２および還元剤分散混合装置１３に結晶の原料となる物質を含む原料液体を入れる。この実施の形態においては気体の還元剤が使用される。気体の還元剤は還元剤導入管１１を通してマイクロバブル発生器１２に導入され、マイクロバブル発生器１２によって微小な気泡の形で原料液体３に混入される。このようにすることにより、液中プラズマにおいて使用困難な気体の還元剤も均質で効率的に供給することができる。
【００２１】
物質密度の高い原料液体に比較して密度の低い気体の還元剤は早く消耗されるが、配管１０によって原料液体は循環され、多くの還元剤を含む混合液が連続的に反応容器２に供給される。なお図２の例では省略されているが、外部から原料液体を導入する導入口を循環経路のいずれかの部位に設けることもできる。このようにすることによって、消耗した分の原料液体を補充し、装置全体を停止することなく長期間にわたって連続的に結晶の合成を行うことができる。
【００２２】
この発明は、結晶以外の物質の合成に使用して、非結晶性物質のうち特定の不要物質のみを選択的に除去してもよい。他の方法で合成された物質に本発明を適用して不純物を除去するような方法も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
この発明の液中プラズマ反応装置および結晶合成方法は、高純度の結晶を高速に合成できるものである。使用できる原料液体や還元剤は広範であり、さまざまな結晶性物質の合成に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】液中プラズマ反応装置の第１の例を示す説明図である。
【図２】液中プラズマ反応装置の第２の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１．液中プラズマ反応装置
２．反応容器
３．原料液体
４．超音波照射手段
５．電磁波照射手段
６．基板
７．還元剤供給手段
８．還元性気液混合タンク
９．ノズル
１０．配管
１１．還元性気体導入管
１２．マイクロバブル発生器
１３．還元剤分散混合装置
１４．ポンプ
【図１】
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【図２】
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